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全焊接板式换热器兴盛综述_栾辉宝pdf

日期:2019-10-25 06:31 来源: 换热器

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  中国科学: 技术科学 2013 年 第43 卷 第9 期: 1020 ~ 1033 SCIENCE CHINA PRESS 论 文 全焊接板式换热器发展综述 ①* ② ① ① ① 栾辉宝 , 陶文铨 , 朱国庆 , 陈斌 , 王崧 ① 中国船舶重工集团公司第七一一研究所能源装备事业部, 上海 201108; ② 西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室, 西安 710049 * E-mail: 收稿日期: 2013-03-07; 接受日期: 2013-04-23 国家重点基础研究发展计划(“973”计划) (批准号: 2013CB228304)资助项目 摘要 近年来, 伴随着制造技术的快速发展和换热器结构形式的不断优化, 全焊接板式 关键词 换热器的性能得到了大大提升, 可以应用于温度范围200°C~900°C, 压力范围线 换热器 MPa 的场合, 引起了工业界的广泛关注. 本文首先对全焊接板式换热器进行了系统的分类 板式 板壳式 与介绍, 选取了两种新产品可拆全焊接板式换热器和圆形板片板壳式换热器进行了详细介 数值模拟 绍, 介绍了全焊接板式换热器的应用场合, 国内外市场情况等. 接下来, 详细阐述了全焊接 相变 板式换热器与管壳式换热器相比存在的优势, 并通过工业中 4 个典型工况加以论证. 最后, 强化表面 总结了全焊接板式换热器在传热流动方面的研究进展, 指出了相变工况依旧是研究难点与 焊接 热点, 具有微纳米强化表面的板式换热器能够大幅度提高换热器性能, 值得深入研究与探 讨. 除实验研究之外, 伴随着超级计算机的发展, 板式换热器的数值模拟尺度越来越大, 在 较宽的Re 数范围内, 无相变工况下的模拟结果与实验结果误差在15%以内. 基于以上分析, 可以看出全焊接板式换热器具有巨大的发展潜力和广阔的市场前景. 我国政府一贯坚持的能源发展方针为“开发与节 能增效, 具体为提高传热效率, 减少传热面积, 降低 能并重, 把节能放在首位”. 2007 年我国工业总产值 压降, 提高装置热强度等方面[6~8]. 如果能够得到换 占GDP 总值的42.7%, 能耗占总能耗的71.6%, 高能 热效率高的换热器, 在较少的设备投资的情况下, 得 耗工业的能耗占工业能耗的 80%, 技术节能空间巨 到较小的夹点温差[9], 则会提高整个换热系统的节能 大[1, 2]. 国家能源科技“十二五”规划也明确提出了“用 水平. 无限的科技力量解决有限能源和资源的约束, 着力 换热器按照传热表面的形状和结构特点可分为 提高能源资源开发、转化和利用的效率” 的节能原 管式换热器, 板式换热器和其他形式换热器三大类[10]. 则[3]. 工业生产中 60% 以上的用能设备都是换热器. 其中, 管式换热器以管表面为传热面, 具有耐高温高 换热器不仅是工业部门保证某些工业流程和条件而 压, 制造工艺简单等特点, 是工业中应用最多的换热 广泛使用的通用热工设备, 也是开发利用工业二次 器. 板式换热器[11~14] 是以板为传热面, 具有结构紧 能源, 实现余热回收和节能的主要设备[4, 5]. 换热器 凑, 传热效率高等特点, 是目前较为先进的高效节能 产业充分体现节能环保, 是一个处于蓬勃发展期的 换热器. 板式换热器板片与板片之间密封方式有垫 朝阳产业. 近年来, 换热器行业的主要发展方向为节 片密封和焊接密封两种方式[15]. 垫片密封板式换热 中文版发表信息: 栾辉宝, 陶文铨, 朱国庆, 等. 全焊接板式换热器发展综述. 中国科学: 技术科学, 2013, 43: 10201033, doi: 10.1360/092013-238 中国科学: 技术科学 2013 年 第43 卷 第9 期 器即常见的可拆板式换热器, 它具有换热效率高, 易 束被放置在4 块靠螺栓固定的板框之间, 上下部分别 拆洗维护, 容易扩容等优点, 已经在各个行业得到广 有维持压力的顶板. 4 个面板上带有流体进出口的连 泛应用. 垫片密封板式换热器内的流体必须与垫片 接管嘴. 全螺栓连接结构使得板框可以快速拆卸, 进 材料相兼容(非腐蚀性), 工作压力一般小于2.5 MPa, 而方便对板束进行清理和维护. 由于板与板之间通 温度低于 250°C [12] . 焊接密封板式换热器整个板片 常采用激光焊接, 不使用垫片, 其最高工作压力可达 周围采用焊接方式来形成密封, 可用于与板材兼容 4.2 MPa, 工作温度可达350°C. 的腐蚀性流体, 工作压力范围线 MPa, 温度 可拆全焊接板式换热器产品于20 世纪90 年代初 范围200°C~900°C. 全焊接板式换热器的出现, 大 期面市, 迄今有十几万台设备投入运行. 该类换热器 大拓宽了板式换热器的应用领域. 伴随着制造技术 标准化、自动化程度高, 优势明显. 国外市场上, 该 的快速发展, 尤其是焊接技术[16] 的发展, 全焊接板式 类产品在许多领域已全面替代管壳式换热器. 国内 换热器新产品不断涌出. 图1 给出了全焊接板式换热 自1998 年茂名乙烯项目乙二醇装置引进 Alfa Laval 器的分类. 根据换热芯体有没有放在承压外壳中, 可 公司的该类产品后, 随着成套设备供应商配套, 工艺 以分为非板壳式和板壳式两大类. 非板壳式根据流 专利商的指定, 跨国公司在华投资建厂等渠道, 该类 动方式和焊接方式的不同可以逐步细分为可拆全焊 换热器近年来在国内使用情况大大增多. 随着使 接板式换热器、钎焊板式换热器、纯逆流焊接板式换 用业绩的增多, 客户认可度越来越高, 目前国内已有 热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器等. 板壳式换 数千台设备投入运行. 主要应用的行业有: 石油化 热器根据板片的几何形状可以分为圆形板片板壳式 工, 煤化工, 电厂, 制冷, 制药行业和海上平台等. 换热器和方形板片板壳式换热器. 本文首先将对图 1 表 1 总结国外著名换热器生产商的同类产品的技术 中各类换热器原理进行简单描述, 着重讲解其中两 性能. 类新型全焊接板式换热器: 可拆全焊接板式换热器 和圆形板片板壳式换热器, 并介绍全焊接板式换热 1.2 钎焊板式换热器 器的市场情况; 接下来阐述全焊接板式换热器与管 钎焊板式换热器(如图3 所示) 的换热板片周边有 壳式换热器的经济性对比; 最后总结了近年来全焊 一圈用于相互定位的折边, 板片与板片之间填入焊 接板式换热器传热流动方面的研究进展. 料铜箔或镍箔, 放入真空炉中加热制成. 由于焊料的 熔点低于板片, 液化后将板片相互焊接在一起. 这种 1 非板壳式全焊接板式换热器 结构的优点是结构紧凑, 重量轻, 除了板片与端板外 没有多余的结构. 其生产大多依靠设备, 人为因素较 1.1 可拆全焊接板式换热器 少, 生产自动化程度高. 缺点是受真空炉大小的限制, 可拆式全焊接板式换热器(如图2 所示)是全焊接 单板面积与总装面积都不能很大, 焊接后的设备无 板式换热器家族中的一种新产品. 全焊接结构的板 法拆卸. 图1 全焊接板式换热器分类树 1021 栾辉宝等: 全焊接板式换热器发展综述 钎焊板式换热器目前国内外厂家的产品性能大 致相当, 结构形式也类似, 最大单板片尺寸 900 mm × 350 mm, 使用温度范围50°C~250°C, 最高使用压 力 4.5 MPa. 钎焊板式换热器的钎料大多数采用铜, 唯有Alfa Laval 公司的专利产品Alfa Nova, 焊料采 用不锈钢. 该产品采用专利熔钎焊技术制成了全不 锈钢钎焊式换热器. 钎焊板式换热器目前广泛应用 于石化、制冷等行业. 1.3 纯逆流焊接板式换热器 图2 可拆全焊接板式换热器 纯逆流焊接板式换热器(如图4 所示)通过入口封 ( 图片来源: ) 头(集流箱) 的布置可以实现两股流体的逆流换热. 入 口封头连接方式有图 4(a)和(b)所示, 两种方式仅在 表 1 国外著名厂商可拆全焊接板式换热器产品 封头布置位置上有所差别. 同时换热芯体与压板的 厂家名称 图片 产品特性 连接方式分为可拆式和不可拆式两种. 前者的换热 ALFA LAFAL 芯体压紧在两压紧板中, 压板间靠螺栓连接(如图 4(a) (阿法拉伐, 瑞典) 温度范围: 100°C~420°C 所示), 而后者的换热芯体则放置于焊接的矩形箱体 产品: 压力范围: 0~4.2 MPa COMPABLOC 内(如图4(b)所示). 该类产品与上文提到的可拆全焊接板式换热器 APV 温度范围: 200°C~900°C 的区别主要有两点: 1) 前者流动方式为错流, 后者流 (安培威, 英国) 产品: HYBRID 压力范围: 0~6.0 MPa 动方式逆流; 2) 前者无入口封头结构, 管嘴连接在面 GEA 温度范围: 100°C~315°C (基伊埃, 德国) 压力范围: 0~3.2 MPa 产品: GEABLOC SONDEX 温度范围: 100°C~400°C (桑得克斯, 丹麦) 压力范围: 0~4.0 MPa 产品: SAW 图4 纯逆流全焊接板式换热器 图3 钎焊板式换热器 (a) 可拆式; (b)不可拆式 ( 图片来源: ) ( 图片来源: ) 1022 中国科学: 技术科学 2013 年 第43 卷 第9 期 板上; 而后者有入口封头, 封头连接在板片芯体上. 1.5 螺旋板式换热器 因而前者更便于清洗和维护, 而后者有更好的流动 螺旋板式换热器(如图6 所示) 由外壳、螺旋体、 传热特性. 密封及进出口管嘴等组成. 螺旋体用两张平行的钢 1.4 板翅式换热器 板卷制而成, 两流道沿边沿密闭, 两端靠盖板密闭. 流体沿紧凑狭长的单一流道在两板之间流动. 两种 板翅式换热器(如图5 所示)结构通常由翅片, 隔 传热介质可以实现逆流流动, 大大增强了换热效果. 板, 封条和导流片组成. 在相邻两隔板之间放置翅片, 由于螺旋通道的曲率是均匀的, 液体在设备内流动 导流片和封条, 组成一个通道, 按照设计要求对各通 没有大的转向, 总的阻力小, 因而可提高设计流速使 道适当排列, 钎焊成整体, 就可以得到最常用的逆 之具备较高的传热能力. 该换热器缺点在于: 最大尺 流、错流, 错逆流板翅式换热器芯体, 在两端配置适 寸受限于卷制钢板的能力, 同时不可拆卸的结构方 当的流体出入口封头(或集流箱), 就成一完整的板翅 式, 增加了维护成本. 式换热器. 板翅式换热器被通俗地叫做“冷箱”, 大量应用 1.6 其他 空分行业, 石油化工行业. 它特别适合于制冷, 低温, 除了上述几类典型的产品, 全焊接板式换热器 压力不太高, 介质无强腐蚀性的场合. 尤其在深冷领 其他结构形式还有全焊接板式空气预热器[18]等, 如 域, 板翅式换热器已占据了很重要的位置. 其原因在 图7 所示. 板式空气预热器由许多相互平行的板单元 于在深冷设备中的换热器要求具有极高的传热效率 组成, 烟气与空气在板间交错流动换热, 板单元可 和非常小的热力不可逆损失, 其关键部位的传热温 差只有 0.5~1.0 K, 因而对换热表面的紧凑性及传热 效率提出极高的要求, 而板翅式可以满足这些要求. 国家2012 年《重大技术装备自主创新指导目录 中》指出大型高效板翅式换热器冷箱将是待发展的一 项大型石油及石化设备[17]. 图6 螺旋板式换热器 图5 板翅式换热器 (a) 外形图; (b) 原理图 (a) 外观图; (b) 原理图 ( 图片来源: ) 1023 栾辉宝等: 全焊接板式换热器发展综述 设备9200 m2 高效节能板壳式换热器(如图9 所示), 成 功用于福建炼油乙烯项目芳烃联合装置 140 万吨/年 连续重整装置中[19]. 该台设备与管壳式的经济性对 比将在下文中详细讨论. 2.2 圆形板片板壳式换热器 圆形板片板壳式换热器(如图 10 所示)是板壳式 家族里面的新产品. 板壳式换热器集板式, 管壳式换 热器的优点于一体. 它具有传热效率高, 末端温差小, 图7 全焊接板式空气预热器 耐高温高压, 紧凑化以及重量轻等优点. 该产品采用 以是平板, 也可以是冲压成各种形状的波纹板、丁胞 外形为圆形的波纹板片, 片与片之间通过焊接形成 板. 板材质可根据烟气温度及烟气腐蚀状况进行选 板束, 并将板束置于承压壳体中. 板壳式换热器板片 择. 全焊接板式空气预热器通常用于空预器的高温 之间不使用垫片, 使得它可以用于可拆板式换热器 段, 可以避开露点腐蚀, 同时比常规的翅片管空预器 无法应用的高温, 高压场合. 换热效率大大提高. 而低温段的空预器可采用稀土 表 2 给出了目前国外著名厂商的该类产品性能 合金板式空预器、铸铁板式空预器、热管空预器、水 参数, 该产品可应用的压力范围线 MPa, 工 热媒空预器等方式, 均可以避免露点腐蚀. 作温度范围200°C~900°C, 单台最大换热面积达 2000 m2 . 圆形板片单台换热面积受限的原因有两点: 2 板壳式换热器 随着国内外炼油、化工技术的发展, 各相关企业 新上装置及新改造装置的规模越来越大. 为了实现 装置的大型化, 就需要解决一些原有关键换热器设 备占地面积大、重量大、投资大及能耗高的缺点. 目 前在炼油、化工行业中普遍使用的管壳式换热器已不 能满足大型化装置的需要. 在此背景下, 板壳式换热 器应运而生. 板壳式换热器通常由两种结构形式: 方 形板片板壳式与圆形板片板壳式. 2.1 方形板片板壳式换热器 方形板片板壳式换热器(如图8 所示)采用波纹板 图8 方形板片板壳式原理图 片作为传热元件, 板片间采用氩弧焊, 电阻焊等焊接 (a) 外形图; (b)原理图 方式, 焊接成的板束装在承压壳体内. 波纹板片具有 “静搅拌”作用, 能在很低的雷诺数下形成湍流, 传热 效率是管壳式换热器的2~3 倍. 同时还大大降低了结 垢, 从而使设备的维护和清扫非常方便. 板壳式换热 器可实现真正的“纯逆流”换热, 末端温差小, 可以多 回收热量, 从而可大大节约装置的操作费用. 方形板片板壳式换热器的使用始于 20 世纪 80 年代, 由法国Packinox 公司最早研制成功, 并首次应 用于催化重整装置. 经过多年的发展, 2009 年, 由甘 肃蓝科石化高新装备股份公司自主研发的重大石化 图9 9200 m2 方形板片板壳式换热器实物图 1024 中国科学: 技术科学 2013 年 第43 卷 第9 期 1) 单片面积小, 圆形换热板由压机一次压制而成, 而方形换热板板可以采用多片拼接构成; 2) 单台片 数少, 圆形板片板壳式换热器没有进口流体分配器, 为了避免流体分布的过度不均匀性, 单台换热器板 片数目不易过多. 两类板壳式换热器的区别在于以下两方面. 1) 方形板片板壳式的板片通道高度范围在 10~ 30 mm, 单板尺寸最大可达20 m×2 m( 由多片拼接而 图10 板壳式换热器分解图 成); 而圆形板片板壳式的通道高度范围3~10 mm, 单 表2 圆形板片板壳式换热器产品介绍 片直径最大为1.5 m. 前者具有入口流体分配器, 更适 2 厂家名称 图片 产品特性 合做大型化的设备, 单台换热面积最高达 10000 m . 压力范围: 而后者无入口流体分配器, 单台换热面积最高达 VAHTERUS 2 线 m , 但是结构更为紧凑. (伐特鲁斯, 芬兰) PLATE&SHELL 温度范围: 2) 方形板片板壳式换热器通常采用电弧焊和电 200°C~900°C 阻焊焊接方式, 而圆形板片板壳式目前的趋势是采 压力范围: ALFA LAFAL 线 MPa 用激光焊接, 耐压耐温范围更广. 方形板片板壳式换 (阿法拉伐,瑞典) 温度范围: 热器应通常用于压力 3.5 MPa 以下的工况, 而圆形 产品: ALFADISC 160°C~540°C 板片板壳式最高工作压力可达20 MPa. 压力范围: LHE 线 MPa (韩国) 温度范围: 3 全焊接板式换热器的市场情况 50°C~800°C 压力范围: 3.1 应用场合 API (艾普尔, 美国) 线 MPa 产品: SIGMASHELL 温度范围: 全焊接板式换热器的主要应用场合见表 3. 目前 200°C~500°C 全焊接板式换热器在国外市场已经相对稳固, 而国 压力范围: 内市场也逐渐被认可. 国外著名换热器厂商都有相 APV (安培威, 英国) 线 MP 关的产品, 而国内厂商也正在积极研制. 产品: PARASHELL 温度范围: 200°C~900°C 3.2 国外市场 压力范围: 全焊接板式换热器在国外已经有多年的发展历 Tranter (传特, 美国) 线 MPa 史, 国外厂商具有明显的优势. 产品: SUPERMAX 温度范围: 1) 具有多年的焊接板式换热器的生产经验, 有 195°C~538°C 压力范围: 良好的试验平台, 工业化应用经验丰富, 设计选型准 GEA (基伊埃, 德国) 线 MPa 确和创新能力强. 产品: GEASHELL 温度范围: 2) 国外产品品牌知名度高, 业绩多, 在已投入 200°C~950°C 压力范围: 的运用中质量可靠, 优点突出, 为客户的工艺优化及 SONDEX 线 MPa 改进提供了保证, 加之长期建立的市场品牌认知度, (桑德克斯, 丹麦) 温度范围: 使得国外产品成为目前国内市场上客户的首选. 100°C~250°C 3) 市场资源充足, 销售网络发达. 压力范围: 国外产品的劣势. GESMEX 线) 产品价格昂贵. (德国) 温度范围: 200°C~500°C 2) 因生产, 研发等部门均在国外, 服务响应慢, 且成本高. 1025 栾辉宝等: 全焊接板式换热器发展综述 表3 全焊接板式换热器市场应用 单一, 产品种类较少. 应用行业 主要用途 3) 焊接工艺 油品的加热与冷却, 乙烯冷箱; 全焊接板式换热器焊接工艺非常关键, 国内的 石油工业 塔顶气体的冷凝, 冷却; 海洋钻井平台用海水冷却, 循环淡水冷却, 脱盐装置, 淡水装置; 焊接水平较国外仍有较大差距, 高端焊机主要依靠 部分浓度的碱液及电解液的加热冷却; 硫酸, 盐酸的 进口. 而高端焊机一次性投资较高, 限制了国内焊接 化学工业 加热、冷却、蒸发、冷凝; 甲醛, 甲醇, 乙醇的冷却; 脱 板式换热器的发展. 盐工艺; 酒精发酵剂提炼; 4) 选型设计能力 蒸汽过热器, 凝气器和热网加热器, 循环冷却器; 国外厂家均有自己的换热器选型设计软件, 而 中央冷却系统, 透平用油冷却器; 循环水, 传动油冷 电力行业 这个选型软件是通过实验室, 现场反复测试整理形 却; 汽轮机, 发动机, 压缩机的冷却; 核电站常规岛, 核岛冷却; 成的数据库, 设计计算准确率非常高. 而国内厂家大 城市集中供热中心二次热交换器; 多没有自己的实验室, 同时对现场运行数据的采集 暖通空调 制冷空调蒸发器, 冷凝器; 并不重视, 进而选型设计能力较差. 对于复杂工况, 汽车, 工程机械, 农业机械中的机油冷却器, 中冷器; 设计值与运行值误差较大. 机械工业 润滑油, 传动油冷却; 中央冷却器, 淡水冷却器, 柴油机冷却器, 缸套水冷 船舶工业 却器; 机器冷却 4 全焊接板式换热器与管壳式换热器对比 4.1 全焊接板式换热器的优越性 3) 由于生产规模大, 追求标准化, 客户的特殊 需求无法得到满意的解决. 随着新技术, 新工艺, 新材料的应用, 全焊接板 式换热器的性能得到了长足发展, 在许多应用领域 3.3 国内市场 逐渐取代了管壳式换热器. 全焊接板式换热器与管 全焊接板式换热器在国内已经有多年的发展历 壳式换热器相比, 具有以下特点. 史, 大部分产品都已实现工业化. 唯有可拆全焊接板 1) 相同压降约束下, 传热系数高出2~4 倍 式换热器及圆形板片板壳式换热器, 目前国内还刚 全焊接板式换热器的板间结构是复杂的网状流 刚起步, 多家机构正在进行研发制造, 并且已经有产 道, 这种结构能有效地促使流体产生湍流. Raju 和 品的雏形, 并未形成产业. 近年来该两类产品的相关 Chand[20], Cooper 和 Usher[21]指出板式换热器内部流 专利数量也迅速增长, 如可拆全焊接板式换热器(专 动在很低的雷诺数(Re)就可达到湍流状态. 对于板式 利 CN 202057215) 、板壳式换热器( 专利 CN 换热器内流动, 通常认为Re10 时为层流; Re500 时 202018225) 、椭圆形板壳式换热器板片( 专利 CN 为湍流; Re 在 10~500 为过渡流态[22]. Troupe 等人[23] 202066403U) 、可拆式全焊接板式换热器换热板片(专 指出板式换热器与管式换热器相比, 压降通常会更 利CN 102620589A, 专利CN 1606682A)等. 小, 原因在于对于相同的传热负荷或者传热面积, 前 者流道内的流速通常很低, 并且流动长度较短. 在相 3.4 国内产品与国外产品的主要差距 同的压降约束条件下, 板式换热器的传热系数是管 1) 板片制造工艺 式换热器的3~5 倍. 另外, 换热板片用0.6~1.2 mm 的 国内厂家在压制板片时, 板片的工艺减薄量不 薄板制造, 降低了壁面的导热热阻. 除此之外, 板式 均匀, 精度要差于国外产品. 对于相同厚度的板片, 换热器不存在像管壳式换热器那样的旁路流. 国内的承压能力差. 同时国产不锈钢板材与进口板 2) 耐温耐压能力可以与管壳式相媲美 材材料性能也存在一定差距. 全焊接板式换热器采用焊接密封, 其特殊的板 2) 板片形式 片结构, 使其具有非常好的耐压耐温性能. 板式换热 国外厂家板片形式丰富, 可以在不同工况下灵 器的波纹板(如图 11 所示)有非常好的机械强度, 同 活选用. 丰富多变的板片形式能够在各个工况下得 时在该板上面加工有许多小的加强筋. 板片与板片 到最佳的换热阻力性能. 而国内厂家, 板片类型相对 间角度交错叠放, 上板波谷与下板波峰相互接触, 板 1026 中国科学: 技术科学 2013 年 第43 卷 第9 期 使得流体在板式换热器壁面处的速度梯度很大, 剪 切力大, 杂质不易沉积. 同时, 板式换热器易于清洗维护. 板式换热器非 常小的持液量很适合酸洗; 另外板式换热器流动长 度较短, 也适合高压水枪直接清洗. 对于通道较小的 情况, 可以采用超声波技术进行清洗(如图 12 所示). 6) 快速工艺控制 由于相邻两板之间的通道窄, 能容纳的流体体 积小, 它能很快对新工艺条件起作用, 从而更易控制. 例如, 板式蒸发器内部持液量少, 可以减少制冷剂充 图11 板片间接触点示意图 灌成本, 更便于快速启动. ( 图片来源: ) 4.2 典型工况比较 和板之间有很多的支撑点, 大大提高了板的耐压能 下文将选取 4 个典型工况对全焊接板式换热器 力. 同时全焊接板式换热器的换热芯体, 在放置于壳 和管壳式换热器选型方案进行对比. 体中时, 通常会在热应力方向不施加约束, 这样可以 提高其耐温能力. 全焊接板式换热器的的温度应用 4.2.1 常减压蒸馏装置的塔顶冷凝器 范围为200°C~900°C, 压力应用范围为线 在常减压塔顶冷凝器中, 当选用碳钢或奥氏体 MPa, 涵盖了大部分的工业工况. 不锈钢作为换热管材料时, 常由于氯离子引起应力 3) 末端温差低 腐蚀开裂, 设备寿命短, 而设备的频繁更换给炼油厂 末端温差是指一流体入口温度与另一流体出口 的长周期生产和经济效益造成了巨大的损失. 为了 温度之差. 板式换热器的冷, 热流体在板式换热器内 解决这一难题, 国内厂家多采用纯钛管换热器. 由于 的流动平行于换热面, 且无旁流, 同时薄板减少了导 钛金属价额昂贵, 造成了换热器的投资很高[24]. 文献 热热阻, 这样使得板式换热器末端温差很小, 对于水 [25]给出了该工况下钛管壳式换热器和可拆全焊接 -水换热可以低于 1°C, 而管壳式换热器大约为 5°C. 钛板式换热器的经济性比较, 结果如表4 所示. 小的末端温差, 高的热有效度(高达约 93%)便于回收 从表 4 中可以清晰比较出可拆全焊接板式换热 利用低品位的能量. 4) 结构紧凑, 重量轻 器比管壳式换热器节约投资500 余万元, 而且存在巨 比表面积是换热器传热面积小型化的指标, 定义 大的节能空间. 为单位体积内的传热面积. 比表面积越大, 换热器结 4.2.2 低温甲醇洗贫/ 富甲醇换热器 2 3 构越紧凑. 光圆管管壳式比表面积为 50~100 m /m , 2 3 低温甲醇洗是20 世纪50 年代德国林德公司和鲁 有翅片的管壳式换热器可以达到 200~300 m /m . 而 2 3 奇公司联合开发的一种气体净化工艺. 该工艺以冷 全焊接板式换热器的比表面积约为 400~800 m /m . 甲醇为吸收溶剂, 利用甲醇在低温条件下对酸性气 板翅式换热器具有扩展的二次表面, 使得它的比表面 2 3 体溶解度极大的优良特性, 脱除原料气中酸性气体. 积可达到1000~2500 m /m . 板式换热器重量轻. 因为 板片厚度仅为0.6~1.2 mm, 而管壳式换热器传热管厚 对于甲醇贫富液换热器, 目前采用较多的换热器是 度为2.0~2.5 mm, 同时管壳式的壳体重量非常大. 缠绕管式换热器[26]. 圆形板片板壳式换热器可以用 这些优点使得板式换热器安装位置更加随意, 检修不需要附加的检修场地. 同时对于企业在原有 的有限换热器空间进行生产扩容非常有利. 5) 结垢少, 易于维护 板式换热器的污垢系数大概是管壳式的 1/5~ 图12 超声波清洗结果 1/10, 其原因为板间流体的剧烈流动, 小的通道高度 ( 图片来源: ) 1027 栾辉宝等: 全焊接板式换热器发展综述 表4 可拆全焊接与管壳式换热器经济性能比较[25] 表6 缠绕管式换热器与板壳式换热器经济性比较 Alfa Laval 公司板式 比较项 缠绕管 板壳式 技术参数比较 U 型管式换热器 换热器 2 换热面积 (m ) 1108 492 B IU1400-4.0/4.0-540- 换热系数 (W m1 K1) 527 1189 设备型号 CPL75-H-200 6/25-2 台数 1 台 2 台串联 设备台数 4 台 4 台 材质 304L 316L 操作方式 并联 并联 总重量 (kg) 17900 4480 单台设备净重 28 t 6.792 t 单台外形尺寸 (m) 换热管/板材质 Ti Ti (外壳直径×长度) 1.4×10 0.9×1.4 设备投资(4 台) 2228.8 万元RMB 1700 万元RMB 设备总造价(万元) 148 140 4.0/5.0 Mpa 3.2/4.16 Mpa 原油侧耐压性能 (设计/试验表压) (设计/试验表压) 表7 电厂重油换热器设计参数 250°C/220°C 250°C/250°C 设计温度 (油气/ 原油) (油气/ 原油) 参数名称 热侧 冷侧 0.068/0.0025 MPa 0.068/0.0019 MPa 流体名称 重油 冷却水 压降 (油气/ 原油) (油气/ 原油) 流量 (kg/h) 62180 118539 外型尺寸 DN1400×7600 1861× 1603×1760 进/ 出口温度 (°C) 120/50 33/50 进/ 出口相态 液/液 液/液 表5 低温甲醇洗工况设计参数 进口压力 (MPa) 2.7 0.8 最大允许压力降 (kPa) 50 50 参数名称 热侧 冷侧 热负荷 (W) 1.94×106 1.94×106 流体名称 贫甲醇 富甲醇 密度 (kg/m3) 900/900 993/987 流量 (kg/h) 344610 401192 1 1 导热系数 (W m K ) 0.137/0.152 0.621/0.644 进/ 出口温度 (°C) 35.99/47.17 50.56/40.82 比热容 (kJ kg1 K1) 2.04/1.865 4.218/4.223 进/ 出口相态 液/液 液/液 3 3 动力黏性系数 (Pa s) 0.0149/0.15 0.749×10 /0.547×10 进口压力 (MPa) 0.43 4.8 最大允许压力降 (kPa) 50 150 表8 管壳式与板壳式经济性比较 热负荷 (W) 2.1×106 2.1×106 3 比较项 管壳式 板壳式 密度 (kg/m ) 872.8/885.1 925.7/914.6 2 1 1 换热面积 (m ) 1385 215.7 导热系数 (W m K ) 0.2027/0.2082 0.2198/0.2133 2 1 换热系数 (W m K ) 47.3 292.3 比热容 (kJ kg1 K1) 2.2677/2.2414 2.2169/2.2299 台数 2 台串联 1 台 动力黏性系数 (Pa s) 0.016/0.021 0.0183/0.144 材质 304L 316L 总重量 (kg) 34000 2003 于温度范围200°C~900°C, 压力范围0~20 MPa 的工 单台外形尺寸(m) 1.3×6.0 0.74×2.0 况, 在低温甲醇洗产业具有替代缠绕管换热器的潜 (外壳直径×长度) 设备总造价 (万元) 100 50 力. 对表5 给定的设计工况, 进行两种换热器的方案 对比, 对比结果见表6 所示. 通过对比发现, 在该工况下, 圆形板壳式换热器 4.2.4 福建联合石油化工有限公司 140 万吨/年芳 的与缠绕管式换热器相比换热系数大大提高, 同时 烃联合装置重整进料换热器 减轻设备重量, 节省体积. 福建联合石油化工有限公司连续重整装置是福 建炼油乙烯项目芳烃联合装置中非常重要的组成部 4.2.3 火力发电厂重油加热器 分, 以直馏重石脑油, 加氢裂化重石油为原料, 经过 重油加热器对燃料油在燃烧前的进行加温, 使 预加氢和重整反应, 为下游二甲苯分馏装置提供混 其在高温(105°C~150°C)下降低燃料油的黏稠度, 促 合C 芳烃, 同时副产氢气, 戊烷, 液化气等. 福建联 6 进充分雾化燃烧等作用, 最终达到节约能源的目的. 合石油化工有限公司, 中国石化工程建设公司及甘 目前重油加热器主要采用管壳式换热器, 热阻主要 肃蓝科石化高新装备股份有限公司联合研发制造了 在油侧. 对表7 给定的设计工况进行管壳式与圆形板 方形板片板壳式换热器. 该板壳式换热器与管壳式 壳式的方案对比, 对比结果见表8 所示. 换热器的性能比较如表9. 1028 中国科学: 技术科学 2013 年 第43 卷 第9 期 表9 管壳式与板壳式经济性比较 对较大, 这方面的研究无论国内还是国外都处于刚 型式 管壳式换热器 板壳式换热器 刚起步[48]. 板内沸腾换热的关联式多是基于水, 氟利 回收热量 (MW) 91.25 93.51 昂, 氨等工质得出, 推广到其他工质时, 误差较大. 多回收热量 (MW) 0 2.26 节省燃料 (t/年) 0 1633 影响蒸发换热的因素很多, 诸如热流密度, 质量密 台数 3 1 度, 干度, 压力, 介质属性, 传热表面几何结构等. 单台设备尺寸 (m) 3.0×28 3.5×19.3 近年来, 具有微纳米强化表面的板式蒸发器也 (外壳直径×长度) 引起了研究的广泛关注. Hillis 和Thomas [49]在Hawaii 设备重量 (t) 450 198 的海洋热能转化系统(OTEC) 中, 测试了覆有林德公 板壳式投资2130 万元, 相比管壳式节省设备投资 司高通量表面的板式换热器. 采用氨水作为制冷剂, 1226 万元; 相比进口板壳式节省投资1240 万元. 相比 实验发现在热流密度为 26 kW/m2 时, 板的沸腾换热 管壳式, 可多回收能量, 节省燃料费800 万元/年. 系数达到30 kW m2 K1, 比光滑平面提高了近5 倍. Matsuhima 和 Uchida[50]研究具有锥形结构强化表面 的钎焊板式换热器, 锥形结构的高度为 1.5 mm, 采 5 传热流动技术研究 用 R22 工质, 发现板侧沸腾换热系数是普通板的 全焊接板式换热器是板式换热器的一种, 其传 1.5~2 倍. Longo 等人[44]研究了十字槽(Cross-Grooved) 热流动特性与传统的板式换热器并无差别. 板式换 和粗糙表面(Roughened Surface)结构两种强化表面结 热器的传热流动研究成果可以应用于全焊接板式换 构对板式换热器蒸发, 冷凝工况影响. 采用R22 作为 热器. 近年来板式换热器在传热流动性能方面得到 工质, 研究发现十字槽表面对强化沸腾和凝结都是 了广泛研究, 研究主要有实验研究和数值模拟两种 有益的, 蒸发侧换热系数增加了 30%~40%, 冷凝侧 手段, 两者相互补充, 相得益彰. 增加换热系数60%; 而粗糙表面仅对蒸发有益, 增加 换热系数30%~40%. Müller-Steinhagen[51]采用线 实验研究 镀方式在板式换热器表面覆有厚度为250 µm 的铬镍 实验研究是传热学研究的一种基本方式[27~30]. 铁合金, 其颗粒的直径105~170 µm, 采用R134a 工质, 国内外近年来对板换方面的研究主要有: 单相传 发现沸腾换热系数增加多达100%. Furberg 等人[45]采 热[31~33], 沸腾[22, 34~36], 冷凝[37~39], 板壳式换热器的相 用了波纹板片表面带有微纳米多孔结构的板式换热 变换热[40, 41] [42] [43] 器进行了实验, 实验结果表明带强化表面的R134a 通 , 混合工质的蒸发 , 气水两相 流 , 板式蒸发器微纳米强化表面相变换热[44, 45], 流动布 道内的换热系数增加了近 10 倍, 整台换热器的换热 置方式[46]等. 板式换热器的单相流动实验已比较成 系数提高超过 100%. 这些文献研究结论表明微纳米 熟, 有较多的文献可以参考, 板式单相对流传热与压 强化表面在提升板式蒸发器沸腾传热性能上的潜力, 降主要跟几何结构(波纹角, 特征长度) 和流体物性 但是这方面的研究工作不全面, 缺乏系统性, 有必要 有关. Li 等人[14]详细总结了近年来关于板式换热器单 进行更广泛, 深入的研究. 相换热公式. Ayub[47]给出了从1960~2000 年板式换热 板式换热器内的冷凝传热流形分两类: 重力流 器单相换热具有代表性的 30 余个经验关联式. 板式 (gravity-controlled flow) 和剪切流(shear-controlled 换热器的实验研究热点和难点为相变换热、多相流、 flow). 重力流中液相会沿重力方向与气相分离, 剪 高黏度介质、混合工质等复杂流动换热. 切流中液相与气相相互混合[52]. 板式冷凝器中蒸汽 板式换热器相变换热的研究文献近年来增长很 的流速高, 凝结液膜受到气流剪切力的作用, 用于求 快, 但是并不系统, 全面. 由于相变机理和两相流传 解沿竖壁膜状冷凝的努赛尔分析解不能求解板式冷 热的复杂性, 严格的理论推导难度较大. 相比管内两 凝器中的蒸汽凝结传热特性. 由于板式冷凝器的复 相流的流动形态分类诸如雾状流、环状流、块状流等), 杂的流道结构, 使得其中的蒸汽流动凝结过程很复 板换通道内的流动状态更加多变, 更具有随机性. 对 杂, 其影响因素有蒸汽流速, 蒸汽干度, 蒸汽压力、 于板内流体沸腾换热, 从本质上揭示其机理难度相 蒸汽与冷却介质的相对流动方向等. 板式换热器复 1029 栾辉宝等: 全焊接板式换热器发展综述 杂的流动通道, 无法同管内流动一样近似地分出流 万, 模拟结果见图 14(b). 动状态, 目前针对板式换热器流态的相关研究较少. 以圆形板片为例, 数值模拟的结果与实验结果 由于剪切流与重力流之间的过渡流态难以规定, 不 的对比见图15, 可以看到在较宽的Re 数范围内无相 同的经验关联式计算结果差异较大. 冷凝试验中不 变工况误差在 15%以内. 本次模拟并未对板片结构 可避免地受不凝结气体的影响, 其对换热测试的准 进行简化, 采用Solid-work 建模, 在ICEM 中进行网 确性影响不可忽略. 美国传热研究公司(HTRI) 在 格划分. 随着计算机的发展, 可以预测在不久的将来 HTRI 软件中采用如下定义的参数来近似判断流体形 更大尺寸板片、板片组以及整台换热器的数值模拟都 态[53] 将会实现. 对于相变换热, 目前有学者在FLUENT 添加包 0.5 含沸腾模型[61] [62] 1 

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